无刷直流电机的运用已从最初的航空、军事举动步伐领域扩展到了办公自动化、家用电器、工业过程掌握、精密机床和汽车电子等工业和民用领域。有专家认为无刷直流电机将作为信息时期的紧张实行部件在各行各业得到最广泛的运用。尤其近年来海内电动车的遍及，同时随着环保、节能的社会号召，电动汽车也应运而生，还有大部分家用电器，无不预示着无刷直流电机运用的飞速发展。
传统的电机调速系统每每以普通的8位微掌握器或性能强大的DSP作为掌握核心，前者须要附加多种接口，实时性差，指令功能不强，运算速率慢，运用很受限定；而后者的价格较高，开拓门槛高，可选择性差，只适宜做一些中高真个运用。
基于ARM核的微掌握器的涌现较好地办理了以上问题，ARM处理器资源丰富，具有良好的通用性，其紧张特点是高性能、低功耗、低本钱。因此，本文基于ARM处理器LM3S2739，以当前运用广泛的无刷直流电机为研究工具，运用闭环调速策略，设计了一个全数字闭环调速系统。
系统硬件组成如图1所示。由图可知，系统紧张由电源电路、掌握电路、驱动电路、位置检测电路以及检测保护电路等组成。
图1 系统硬件组成框图
2 模块电路设计根据图1中的系统组成框图，下面以模块电路的形式逐一先容各个电路的功能及实在现。
2.1 电源电路
电源模块的输入为220VAC、50Hz，供应6路输出：+15V-ISO、+5V-ISO、+15V、-15V、+5V、+3.3V，个中前两路与其它各路隔离。开关芯片采取PI公司生产的TOP260EN，此芯片在开放式模式下，其输出功率可达275W，能知足设计哀求。
电源电路的设计关键点在于接地的处理，要特殊把稳以下几种地：驱动电源地、掌握电源数字地、掌握电源仿照地、电机三相电源地、设备外壳地、供电电源中性线等。精确合理的处理以上地电位对系统的正常运行、人身安全起决定性浸染。除此之外，电路板宜采取多层板设计，高频旗子暗记加屏蔽，关键旗子暗记加滤波，成品加屏蔽外壳，以此来达到整机的电磁兼容性哀求。
2.2 掌握电路
掌握电路是指调速系统中的弱电部分，紧张包括：主控芯片、存储器接口、通讯接口、LED显示等电路。
主控芯片采取美国流明诺瑞(Luminary)公司基于Cortex-M3内核的32位ARM芯片LM3S2739作为掌握核心芯片，该系列芯片是专为电机掌握运用设计，丰富的外设使得外围电路实现起来非常大略，同时能有效缩小电路板体积。
为了保存用户参数，防止掉电丢失，本系统中设计了2K非易失落存储空间，存储芯片采取24C02，利用LM3S2739的I2C功能模块，实现起来非常方便。
本系统设计了两种通讯接口：RS232串行接口和CAN总线接口。RS232接口一样平常用来实现上位机调试参数，接口芯片采取SP3232EUCY。 CAN总线可以很随意马虎实现网络掌握，接口芯片采取TJA1050。以上接口均采取光电隔离提高抗滋扰性。
系统采取1位7段数码管显示状态，包括系统运行状态、故障状态等。数码管通过LM3S2739的同步串行接口(SSI)来掌握，同时采取移位存储器74HC595来进行串并扩展。
2.3 驱动电路
驱动电路采取智能功率模块(IPM)，这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能集成一体。本系统充分利用IPM的强大功能，只需少量的外围器件便可以很随意马虎地组成功能完善的逆变桥主电路。
功率驱动模块采取仙童(Fairchild)公司的FSBS10CH60，它是10A、600V的集驱动和保护于一体的IGBT模块，隔离电压达到2500V。带有温度传感器，可方便实现过热检测。为了实现弱电旗子暗记掌握强电旗子暗记，达到强弱电隔离，尽可能地保护电路。微掌握器输出的PWM旗子暗记需经由光隔驱动后，再掌握IPM。光电隔离器件采取HCPL4504。
2.4 位置检测电路
本系统所选电机为无刷直流电机，配有霍尔位置传感器和编码器。霍尔位置传感器是集电极开路输出，因此在和微掌握器接口时须要上拉电阻。编码器是双极差分旗子暗记输出，须要增加吸收器26C32和微掌握器接口。
2.5 检测保护电路
由于电机驱动的开拓和利用的分外性，应加强安全意识。一是实验过程的人身安全；二是设备安全，担保实验过程的正常运行。因此，保护电路必不可少。在本项目的设计过程中，重点设计了以下检测保护电路。
(1)相电流检测：精确的电流采样，是电机良好运转的必要条件。本系统采取LEM公司生产的电流传感器HX-15P进行电流采样。电流传感器的原边串入电机三相动力线，副边即输出成比例的电压旗子暗记。该旗子暗记为具有正负极性的双边旗子暗记，无法直接接入微掌握器的AD输入通道，因此，须要对该旗子暗记进行整流，可以采取运放构成精密全波整流电路，不过要把稳运放的带宽，以便知足AD采样的须要。
(2)过压、欠压检测电路：通过在母线电压之间串接分压电阻进行电压采样，电路的核心是双比较器LM393，其构成窗口比较器，母线电压超出窗口阈值，表明母线电压非常，输出旗子暗记通过光隔后，输入微掌握器接口，从而掌握PWM输出，保护功率驱动电路的安全。
(3)过流故障检测：紧张依赖IPM芯片的故障输出功能，FSBS10CH60芯片具有一个故障输出引脚FO，当芯片内部涌现过流等综合故障，此引脚会输出脉冲旗子暗记。将此脉冲旗子暗记通过光隔后，输入微掌握器PWM模块的故障(Fault)引脚，逼迫PWM进入无效状态。
(4)过热故障检测：同样是利用IPM芯片的集成温度传感器功能，IPM芯片内部带有一个热敏电阻，作为温度传感器利用。通过热敏电阻采样的温度电压旗子暗记经由运放OP07构成的电压跟随器后，再经由比较器和设定的温度值做比较，输出旗子暗记通过光隔后，输入微掌握器接口，从而担保电路安全。
3 驱动软件设计本文所设计的伺服驱动系统是一个基于无刷直流电机的包括速率调节环和电流调节环的双闭环调速系统。闭环调节算法采取常用的PI掌握算法。
首先通过编码器和霍尔位置传感器的输出来确定转子的位置和换向旗子暗记。同时，打算得到电动机确当前速率，然后与速率参考值进行比较，得到速率偏差旗子暗记，经速率调节器后，得到相应的电流参考旗子暗记，该电流参考旗子暗记与电流传感器采样的实际电动机相电流旗子暗记进行比较，电流偏差旗子暗记经电流调节器调节后，得到PWM的占空比，产生适当的PWM旗子暗记，施加到电动机的功率电子开关电路上，通过掌握功率管的开通关断顺序和韶光，从而实现对直流无刷电动机转速和输出转矩的掌握。
根据掌握系统所要实现的功能，结合模块化的软件设计思想，可将系统软件分为三大部分：主程序模块、系统初始化模块、系统掌握模块。主程序模块紧张包括系统时钟配置、外设接口配置、中断配置以及调用系统初始化模块和系统掌握模块等。
系统初始化模块紧张完成HALL接口、QEI接口、PWM模块、ADC采集模块、系统定时模块、显示输出模块、CAN总线模块、UART模块、看门狗等干系模块的初始化功能。系统掌握模块功能包括各中断做事子程序，紧张卖力完成系统掌握任务，包括命令的吸收与处理、参数综合、全局折衷以及状态显示等。
本系统大部分的功能依赖于中断的实行，因此精确配置中断是程序设计的关键。程序的编程措辞采取C措辞，灵巧易用，可移植性强。开拓环境采取IAR Embedded Workbench for ARM V5.50，编译效率高，利用方便。主程序流程图如图2所示。
图2 主程序流程图
4 系统运用城市轨道交通站台屏蔽门系统作为国家大力发展的轨道交通设备，市场前景广阔。门机系统是屏蔽门系统的核心，其关键技能是电机掌握，也便是伺服驱动系统。基于本文所设计的伺服驱动系统，知足屏蔽门系统的速率环掌握哀求。
5 结论ARM的强势推出，本钱不断降落，诸多伺服设计厂家已经转向ARM方案，可以说基于ARM的芯片已经引领了MCU运用潮流。同时，基于ARM核的芯片具有32位的内核，资源丰富，性能优胜，为高速采样供应了运算速率的担保, 从而可在较大的转速范围内实现高精度掌握。该调速系统具有相应速率快、可扩展性强、性价比高档特点，可运用于自动门、电动自行车等领域，有广阔的市场运用代价。
（编自《电气技能》，作者为高振天、袁玮。）
